比较是原子操作吗？答案

【问题标题】：Is a comparison an atomic operation?比较是原子操作吗？
【发布时间】：2011-04-24 19:48:21
【问题描述】：

下面的比较是原子动作吗？即，是否可以简化为一条 CPU 指令？

char flag = 2;

for(;;)
{
    if (!flag) // <-- this
        break;

    // sleep
}

这就是我正在做的事情：

int main()
{
    sf::Mutex Mutex;
    char flag = 2;

    coordinatorFunction(flag);

    for(;;)
    {
        if (!flag)
            break;

        // sleep
    }
}

void workerFunction(void* a)
{
    char* p = static_cast<char*>(a);

    // work

    GlobalMutex.Lock();
    --*p;
    GlobalMutex.Unlock();
}

void coordinatorFunction(char& refFlag)
{
    sf::Thread worker1(&workerFunction, &refFlag);
    sf::Thread worker2(&workerFunction, &refFlag);

    worker1.Launch();
    worker2.Launch();
}

【问题讨论】：

我认为在进行比较之前总是必须将其读入寄存器，因为您已经传递了指向它的指针。所以不，它不会是原子的。我是这么想的，我不确定。不过，我相信有一些方法可以进行原子比较和写入（我猜不是在 C++ 语言本身内）..
这并不意味着如果某些东西可以简化为一条 CPU 指令，那么它就是原子的。首先，并非所有架构上的所有 CPU 指令都是原子的，其次，仅仅因为某些东西可以简化为原子指令并不意味着它会是原子的。

标签： c++ multithreading mutex atomic operation

【解决方案1】：

这是错误的做法。

您的主线程正在尽可能快地消耗 CPU 周期，除了等待 flag 达到零之外什么都不做。每次尝试此测试都会失败，除了最后一个。不要以这种方式这样做，而是使用您的线程对象最有可能必须使主线程暂停自身的“连接”工具，直到所有工作线程完成。

这样，并非巧合，您不会关心测试是否是原子的，因为您根本不需要它。

【讨论】：

该死的。我应该想到的。谢谢。
我相信原始代码没有忙于等待 :)

【解决方案2】：

任何 C++ 操作都不能保证是原子操作。

【讨论】：

【解决方案3】：

在 C++ 中，没有任何东西可以保证是原子的。

【讨论】：

【解决方案4】：

没有。据我所知，C++ 不保证什么是原子的，什么不是——这是特定于平台的。即使您的平台保证可以原子地进行比较，也不能保证您的 C++ 编译器会选择该指令。

但是，在实践中，简单值类型（例如 char、int、float 等）的比较可能是原子的。但是，您仍然需要注意可能的指令重新排序，无论是在编译器级别还是处理器级别。在这种情况下，这可能无关紧要，但在一般情况下，它可以而且确实如此。您还需要注意，即使比较是原子的，比较后分支也不是原子的 - 因此，如果您尝试使用标志来规范该访问，则两个线程都可以输入相同的代码块。

如果您想要适当的保证，Windows 上有各种 Interlocked functions 和 gcc 上的 atomic builtins。

【讨论】：

【解决方案5】：

不，C++ 不保证任何操作都是原子的。您问题中的代码很可能会被编译为从内存加载到寄存器中，这本身可能需要多条指令，然后是测试。

【讨论】：

那么我需要更改代码以使其线程安全，还是已经实现了？
@Truncheon 术语“线程安全”毫无意义——线程安全完全依赖于上下文。但一般来说，从多个线程访问的任何资源（变量，无论如何）都必须受到某种锁的保护。留给他们自己的设备，编译器永远不会生成“线程安全”的代码。

【解决方案6】：

比较不是原子的，因为它需要几个机器语言指令来完成（从内存加载到寄存器等）另外由于内存模型的灵活性和缓存执行测试的线程可能不会“看到”结果马上换另一个话题。

如果变量标记为 volatile，您可能会安全地进行简单测试，但这将是特定于平台的。正如其他人指出的那样，C++ 本身对此不做任何保证。

【讨论】：

【解决方案7】：

否。

比较涉及读取两个数据以及执行实际比较。 数据可以在读取指令和比较指令之间发生变化，因此它不是原子的。

但是，由于您要比较相等性，_InterlockedCompareExchange instrinsic（用于 x86 中的 lock cmp xchg 指令）可能会满足您的需求，尽管它会涉及替换数据。

【讨论】：

但是，在许多平台上，如果比较为零，则有一个专用的操作码来执行该操作。这意味着如果值已经在寄存器中，它确实可以原子地完成。
@Kylotan：我认为这并不重要，您仍然需要将其读入寄存器并然后进行比较。问题不在于比较，而在于中间状态。但是，如果您有指向内存的指针（而不是寄存器中的值），那么是的，那是正确的；我已经更新了我的答案。
如果该值已经在寄存器中，但是您如何保证呢？
你不会的。我并不反对这个答案的“不”部分。 :) 我只是说比较并不总是涉及读取 2 条数据。
与任何常数进行比较时，重要的不是数据可能在读取和比较指令之间发生变化，而是数据可能在读取时间和 作用时间之间发生变化比较的结果。假设读取是原子的，因为在有人对其进行操作之前，比较不会产生可观察的效果，因此比较是否是原子的就没有任何意义。当然，如果读取不是原子的，那么比较也不会是。

【解决方案8】：

您应该问的问题是“是——原子的”？这就是这里的一切。当 flag 达到 0 时你想做点什么。

你不关心这种情况：

1. Main thread reads flag, and it is 1.
2. Worker changes flag with --
3. Main thread doesn't see that flag is actually 0.

因为在 1 ns 内，主线程循环并再次尝试。

您确实关心 -- 不是原子的，两个线程同时更改它会跳过递减：

1. Thread A reads flag, flag is 2
2. Thread B reads flag, flag is 2
3. Thread A decrements its copy of flag, 2, and writes to flag, flag is 1
4. Thread B decrements its copy of flag, also 2, and writes to flag, flag is 1.

你失去了一个减量。你想使用__sync_fetch_and_sub(&flag, 1) 这将自动减少标志。

最后，绕着床睡觉并不是最好的办法。您想等待条件，等待signal。当工作线程意识到他们已经将标志递减为 0 时，让工作线程提高条件或信号。

【讨论】：